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InP中子位移损伤效应的Geant4模拟

李薇 白雨蓉 郭昊轩 贺朝会 李永宏

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InP中子位移损伤效应的Geant4模拟

李薇, 白雨蓉, 郭昊轩, 贺朝会, 李永宏

Geant4 simulation of neutron displacement damage effect in InP

Li Wei, Bai Yu-Rong, Guo Hao-Xuan, He Chao-Hui, Li Yong-Hong
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  • 磷化铟(InP)作为第二代化合物半导体材料, 抗辐照能力强, 光电转换效率高, 在光子领域和射频领域具有优势. 大气空间中, InP半导体器件受大气中子辐照影响, 器件性能发生退化. 本文采用蒙特卡罗模拟软件Geant4对InP中子辐照效应进行模拟, 得到InP中不同能量中子产生的位移损伤初态分布. 结果表明: 在微米量级内, 非电离能量损失(NIEL)随深度均匀分布, 在厘米及更高量级上, NIEL随着入射深度的增大而降低, 当靶材料足够厚时可以降低至零; 分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的NIEL及其随深度分布, 发现NIEL随入射中子能量的增加呈现出先升后降的趋势, 该趋势主要由非弹性散射反应产生的初级反冲原子(PKA)造成; 分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的PKA种类、能量, 发现In/P的PKA占比较大, 是产生位移损伤的主要因素, 中子能量越高, PKA的种类越丰富, PKA最大动能越大, 但PKA主要分布在低能部分. 研究结果对InP基5G器件在大气中子辐射环境中的长期应用具有理论和指导价值.
    As the second-generation compound semiconductor material, indium phosphide (InP) has strong irradiation resistance and high photoelectric conversion efficiency. It has advantages in the field of photonics and radio frequency. In atmospheric space, high-energy cosmic rays enter into the earth’s atmosphere and interact with nitrogen (N), oxygen (O) and other elements to produce secondary cosmic rays. The irradiation particles in the atmosphere are mainly neutrons because the penetration of charged particles is weak. The InP semiconductor devices are affected by atmospheric neutron irradiation of various energy from all directions, which results in the internal defects in InP crystals, the degradation of device performance and the reduction of device lifetime. In this paper, Monte Carlo simulation software Geant4 is used to simulate the neutron irradiation effect, and the initial state distribution of displacement damage caused by neutrons with different energy is obtained, including the distribution of non-ionized energy loss (NIEL) with depth, the relationship between NIEL and the energy of incident neutrons, and the type, number and energy of primary knock-on atoms (PKA). The results show that 1) the NIEL is uniformly distributed when material thickness is on the order of μm and for the material thickness on the order of cm and more, the NIEL decreases as the depth increases and can be reduced to zero when the target material is thick enough; 2) by analyzing the NIEL produced by 1–20 MeV neutrons incident on 3-μm InP and their distribution with depth, it is found that the NIEL first increases and then decreases with incident neutron energy increasing. This trend is caused mainly by PKA produced through the inelastic scattering reaction; 3) by analyzing the type and the energy of PKA produced by 1–20 MeV neutrons incident on 3 μm InP, it is found that the PKA of In/P accounts for a large proportion, which causes displacement damage mainly, and the higher the neutron energy, the richer the variety of PKA is and the greater the maximum kinetic energy of PKA, but the PKAs mainly distribute in the low energy part. The present research has theoretical and guiding value for the long-term application of InP-based 5G devices in atmospheric neutron irradiation environment.
      通信作者: 贺朝会, hechaohui@mail.xjtu.edu.cn
    • 基金项目: 基础加强计划(批准号: 2019-JCJQ-ZD-267)资助的课题
      Corresponding author: He Chao-Hui, hechaohui@mail.xjtu.edu.cn
    • Funds: Project supported by the Basic Strength Program of China (Grant No. 2019-JCJQ-ZD-267)
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  • 图 1  InP的中子弹性散射截面

    Fig. 1.  Neutron elastic scattering cross section of InP.

    图 2  Geant4模拟的InP结构图

    Fig. 2.  Structure of InP simulated by Geant4.

    图 3  各能量中子在3 μm薄靶内的NIEL深度分布

    Fig. 3.  NIEL depth distribution of neutrons at different energies in the 3 μm thin target.

    图 4  (a)各能量中子在3 cm厚靶内的NIEL深度分布; (b) 1 MeV中子在3 cm厚靶内的NIEL深度分布

    Fig. 4.  (a) NIEL depth distribution of neutrons at different energies in the 3 cm thick target; (b) NIEL depth distribution of 1 MeV neutrons in the 3 cm thick target.

    图 5  1 MeV中子在100 cm厚靶内的NIEL深度分布

    Fig. 5.  NIEL depth distribution of 1 MeV neutrons in the 100 cm thick target.

    图 6  NIEL与中子能量的关系 (a) 3 cm厚靶; (b) 3 μm薄靶

    Fig. 6.  The relationship between NIEL and neutron energy: (a) 3 cm thick target; (b) 3 μm thin target.

    图 7  1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的不同种类PKA数目

    Fig. 7.  The number of different PKA produced by 1–20 MeV neutrons incident on 3 μm InP.

    图 8  1—20 MeV中子入射3 μm InP的PKA能谱

    Fig. 8.  The energy spectrum of PKA produced by 1–20 MeV neutrons incident on 3 μm InP.

    表 1  1—20 MeV中子入射3 μm的InP薄靶所得PKA的种类、数目与动能信息

    Table 1.  The type, number, and energy information of PKA obtained from 3 μm InP thin target irradiated by 1—20 MeV neutrons.

    入射中子能量/MeV反冲核(PKA)种类最小动能/eV最大动能/keV元素占比/%
    1.00113—116In1.1135.0170.51
    31—32P2.48122.3729.49
    2.54113—116In1.4189.0362.08
    31—32P14.74310.6936.57
    1H, 31Si1.57263.361.36
    5.00113, 115, 116In2.33173.0559.21
    31—32P6.10612.4137.57
    1H, 31Si, 4He, 28Al, 2.214283.903.22
    8.00113, 115In1.57281.8264.42
    31P17.12980.5428.80
    1H, 31Si, 4He, 28Al, 113, 115Cd1.007282.106.78
    10.00113, 115In1.29350.5366.42
    31P1.001225.7025.58
    1H, 31Si, 4He, 28Al, 115Cd, 112Ag1.009287.108.00
    12.00113, 115In1.11417.2163.21
    31P1.001473.4927.51
    1H, 31Si, 4He, 28Al, 113, 115Cd, 112Ag1.0014315.009.29
    14.00113, 115In1.04492.3460.26
    31P1.001705.7729.71
    1—2H, 31Si, 4He, 28Al, 112—115Cd, 110, 112Ag1.0016463.0010.03
    16.00113, 115In1.12556.4757.82
    31P1.001967.1531.98
    1—2H, 31Si, 4He, 28Al, 113—115Cd, 110, 112Ag1.0017593.0010.20
    18.00113, 115In1.45631.0754.70
    31P1.002215.8234.42
    1—3H, 31Si, 4He, 28Al, 111—115Cd, 110, 112Ag1.0021054.0010.88
    19.90113, 115In2.04703.4350.34
    31P1.002453.4337.58
    1—3H, 31Si, 4He, 28Al, 111—115Cd, 110, 112Ag1.0022391.0012.08
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-16
  • 修回日期:  2021-12-07
  • 上网日期:  2022-01-26
  • 刊出日期:  2022-04-20

InP中子位移损伤效应的Geant4模拟

    基金项目: 基础加强计划(批准号: 2019-JCJQ-ZD-267)资助的课题

摘要: 磷化铟(InP)作为第二代化合物半导体材料, 抗辐照能力强, 光电转换效率高, 在光子领域和射频领域具有优势. 大气空间中, InP半导体器件受大气中子辐照影响, 器件性能发生退化. 本文采用蒙特卡罗模拟软件Geant4对InP中子辐照效应进行模拟, 得到InP中不同能量中子产生的位移损伤初态分布. 结果表明: 在微米量级内, 非电离能量损失(NIEL)随深度均匀分布, 在厘米及更高量级上, NIEL随着入射深度的增大而降低, 当靶材料足够厚时可以降低至零; 分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的NIEL及其随深度分布, 发现NIEL随入射中子能量的增加呈现出先升后降的趋势, 该趋势主要由非弹性散射反应产生的初级反冲原子(PKA)造成; 分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的PKA种类、能量, 发现In/P的PKA占比较大, 是产生位移损伤的主要因素, 中子能量越高, PKA的种类越丰富, PKA最大动能越大, 但PKA主要分布在低能部分. 研究结果对InP基5G器件在大气中子辐射环境中的长期应用具有理论和指导价值.

English Abstract

    • InP作为重要的第二代化合物半导体材料, 禁带宽度大, 工作温度高(400—450 ℃), 具有高的光电转换效率、高的电子迁移率以及比Si, GaAs更强的抗辐射能力等优良特性, 在光子领域和射频领域具有优势, 在固态发光、光纤通信、微波通信、卫星、5G技术等民用和军事领域前景广阔.

      在大气空间中, 高能宇宙射线[1]进入地球大气层并与其中的氮(N)、氧(O)等元素发生相互作用, 产生次级宇宙射线. 由于带电粒子的穿透性较弱, 因此大气中存在的粒子主要是中子, 称为大气中子[2]. InP材料可能因中子辐射产生晶格缺陷, 形成永久性位移损伤[3]; 也会导致InP半导体器件发生单粒子效应(SEE), 引起单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)、单粒子瞬态(SET)、单粒子功能中止(SEFI)等多种失效类型[4]. 通过研究InP材料的中子辐照效应, 可以评估其抗辐照性能水平, 为器件的选型提供有利依据.

      研究材料的辐照损伤效应一般有两种方法. 一是实验手段, 如电子/质子/离子/中子辐照实验研究; 二是计算机模拟. 两种方法互为补充. 在国外, Inguimbert 和Gigante[5]开发出软件NEMO, 通过计算获得电子、质子、中子和重离子等辐照粒子的非电离能量损失(NIEL)[6], 尚在不断完善中. Autran等 [7]对InP等8种III-V二元化合物半导体的高能大气中子辐射辐照敏感性进行探索. Ruzin等[8]比较了Si材料的质子和中子辐照相关性. Messenger等[9]通过对GaAs/Ge太阳能电池进行辐照实验, 使用NIEL对中子和质子的辐照相关性进行描述. 此外, Tonigan等[10]也对中子和质子辐照相关性进行研究. 在国内, 蒋维等[11]采用Geant4[12]和FLUKA模拟软件进行辐照研究, 并比较了两种模拟软件在暗物质粒子探测器BGO量热计中的质子簇射特性. 白雨蓉等[13]使用蒙特卡罗方法模拟研究了空间重离子对InP的位移损伤效应, 郭达禧等[14]使用Geant4模拟软件模拟了中子在SiC中的输运过程, 谢飞等[15]对GaN材料在不同中子辐照环境下的位移损伤进行了模拟研究. 此外, 还有有关质子在Si中[16]、低能质子在Si和GaAs中的非电离能损的计算研究[17], 以及空间GaAs/Ge太阳能电池辐照损伤过程的研究[18]. 但是, 中子在InP中的NIEL分布情况未见相关报道. 本文基于大气中子能谱, 使用Geant4分别模拟不同能量中子辐照InP后产生的位移损伤效应, 包括NIEL随深度的分布情况, NIEL与入射中子能量的关系, 以及初级反冲原子(PKA)的信息和能谱.

    • 根据中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)提供的第2靶站微分中子能谱和标准大气中子谱[19], 发现大气中子能谱范围非常宽, 其中, 20 MeV以下低能中子占绝大多数. 又由于辐照损伤中起主要作用的是1 MeV以上的快中子, 所以将入射单能中子能量设置在1—20 MeV范围内, 分别为1, 2.54, 5, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 19.9 MeV. 其中, 2.54 MeV是考虑氘氘(D-D)聚变产生的中子, 14 MeV是考虑氘氚(D-T)聚变产生的中子.

    • NIEL是辐照粒子在材料中以位移过程和晶格振动过程沉积的能量, 会引起位移损伤, 是位移损伤效应的衡量标准. 本文通过Lindhard分离函数计算得到NIEL.

      修正Lindhard分离函数[20,21]如下:

      $ {E}_{\rm{d}\rm{a}\rm{m}}\left(T\right)=\frac{T}{1+{k}_{d}g\left({\varepsilon }_{d}\right)}, $

      其中

      $ k_{d}=\frac{0.0793 Z_{1}^{2 / 3} Z_{2}^{1 / 2}\left(A_{1}+A_{2}\right)^{3 / 2}}{\left(Z_{1}^{2 / 3}+Z_{2}^{2 / 3}\right)^{3 / 4} A_{1}^{3 / 2} A_{2}^{1 / 2}}, $

      $ {\varepsilon _d} = \frac{T}{{30.724{Z_1}{Z_2}\sqrt {Z_1^{2/3} + Z_2^{2/3}} \left( {1 + {A_1}/{A_2}} \right)}}, $

      $ g\left( {{\varepsilon _d}} \right) = \left\{ {\begin{aligned} &{\varepsilon _d} + 0.40244\varepsilon _d^{3/4} + 3.4008\varepsilon _d^{1/6}\\ &\left( {T > 200\;{\rm{keV}}} \right),\\ &0.742{\varepsilon _d} + 1.6812\varepsilon _d^{3/4} + 0.90565\varepsilon _d^{1/6}\\ &\left( {T < 200\;{\rm{keV}}} \right), \end{aligned}} \right. $

      其中, $ {E}_{\rm{d}\rm{a}\rm{m}} $是损伤能, T是初级反冲原子能量, $ {Z}_{1} $, $ {Z}_{2} $$ {A}_{1} $, $ {A}_{2} $分别为初级反冲原子与靶原子的原子序数和质量数. 对于化合物, 原子序数$ {Z}_{2} $和质量数$ {A}_{2} $需要加权平均, 即

      $ {Z_{2,{\rm{average}}}} = \displaystyle\frac{{ \displaystyle\sum \nolimits_i {n_i}{Z_i}}}{{ \displaystyle\sum \nolimits_i {n_i}}}, $

      $ A_{2, {\rm { average }}}=\frac{\displaystyle\sum\nolimits_{i} n_{i} A_{i}}{\displaystyle\sum\nolimits_{i} n_{i}}. $

      计算得InP的$ Z_{2, {\rm{average}}}$ = 32, $ {A_{2, {\rm{average}}}}$ = 72.90. 将其代入修正Lindhard函数中, 即可计算得到损伤能$ {E}_{\rm{d}\rm{a}\rm{m}} $. NIEL与损伤能$ {E}_{\rm{d}\rm{a}\rm{m}} $之间存在线性关系:

      $ {\rm{NIEL}} = \frac{{E}_{\rm{d}\rm{a}\rm{m}}\left(T\right)}{\rho hn}, $

      其中, ρ是靶材料的密度, h是靶材料的厚度, n是入射粒子数目. 通过(7)式可计算得出NIEL数值.

    • 中子与InP晶格原子相互作用, 发生弹性散射(n, n)、非弹性散射(n, n' )、俘获反应(n, γ)以及发射带电粒子反应(n, α)(n, p)等, 将一部分动能传递给晶体原子, 使得晶体原子离开晶格位置成为初级撞出原子, 又称初级反冲原子(PKA). 高能PKA继续运动撞击晶体中其他原子, 使其离位, 产生次级反冲原子, 次级反冲原子继续运动撞击其余靶原子, 造成一系列级联碰撞, 形成原子离位峰. 产生空位、间隙原子以及团簇等缺陷. 本文采用Geant4标准物理模型库, 包含高精度(n, n), (n, n' ), (n, γ), (n, α), (n, p)等基本物理过程. 其中, 如果PKA是质子, G4hIonisation, G4Lelastic和G4CascadeInterface分别用于模拟电离过程、(n, n)和(n, n' ). 如果PKA不是质子, G4ionIonisation和G4BinaryLightIonReaction分别用于模拟电离过程和核相互作用过程.

      ENDF是由美国国家核数据中心发布的、包含反应堆物理和屏蔽设计所需的核数据库. 根据ENDF提供的In, P单质的反应截面, 采用布拉格相加法则混合得到InP化合物的反应截面. 这种混合方式忽略了化合物中化学键的作用, 原因在于化学键的能量远小于粒子能量, 不会对结果产生明显的影响. 通过比对Geant4计算得到的弹性散射截面数据与中子评价数据库ENDF获取的InP中子截面验证程序的可靠性, 截面计算公式为

      $ \sigma =\frac{\Delta n}{NhIS}, $

      其中, ∆n为单位事件发生弹性碰撞的次数, N为入射粒子数目, h为3 μm薄靶厚度, I为入射粒子束强度, S为靶横截面积.

      图1为Geant4模拟结果与ENDF数据库比对图, 两者符合良好, 说明本文物理过程模拟结果可靠. 此外, 这套标准物理模型也经过了其他学者[13,14]验证, 结果可靠.

      图  1  InP的中子弹性散射截面

      Figure 1.  Neutron elastic scattering cross section of InP.

    • 目前有关中子辐照InP产生的位移损伤的实验研究还未见详细报道. 已有研究[22]给出通过位移比释动能计算得出的1 MeV中子在InP中的NIEL具体数值为0.00064 MeV·cm2/g, 该数值与本文用Lindhard函数计算得出的NIEL数值0.000526 MeV·cm2/g进行对比, 相对误差为–0.178, 在允许范围内, 证明本文NIEL结果具有可信度.

    • 大气环境中InP可用作太阳能电池的结构材料, 而作为基极的InP厚度一般为微米量级. 因此, 参考Walters等[23]研究中n+p型InP/Si太阳能电池中InP基极的厚度, 本文采用3 μm厚度薄靶作为InP靶材料. 同时, 由于中子能量为1—20 MeV, 根据平均自由程与宏观截面之间的倒数关系, 计算得到中子平均自由程在厘米量级, 因此采用3 cm厚靶作为对照, 以探究中子对InP的位移损伤效应. 中子沿厚度方向从表面垂直入射到InP中. 结构如图2所示, 外层立方体为world, 内层立方体为InP晶体.

      图  2  Geant4模拟的InP结构图

      Figure 2.  Structure of InP simulated by Geant4.

    • 对于3 μm薄靶, 中子从InP表面垂直入射, 入射中子数目均为109; 对于3 cm厚靶, 中子同样从表面垂直入射, 数目均为107. 通过统计PKA的种类、数目、位置、能量以及NIEL等信息, 探究中子入射InP产生的位移损伤机制. 图3图4为1—20 MeV中子在3 μm/3 cm InP中产生的NIEL随深度分布图.

      图  3  各能量中子在3 μm薄靶内的NIEL深度分布

      Figure 3.  NIEL depth distribution of neutrons at different energies in the 3 μm thin target.

      图  4  (a)各能量中子在3 cm厚靶内的NIEL深度分布; (b) 1 MeV中子在3 cm厚靶内的NIEL深度分布

      Figure 4.  (a) NIEL depth distribution of neutrons at different energies in the 3 cm thick target; (b) NIEL depth distribution of 1 MeV neutrons in the 3 cm thick target.

      图3可知, 由于3 μm较薄, 中子在3 μm内碰撞次数少, 沉积能量分布均匀. 则3 μm范围内入射深度所导致的NIEL的差异不太明显, 即中子在微米量级InP中产生的NIEL与深度无关.

      分析图4可知, 当InP材料厚度增至3 cm时, NIEL随深度的增大呈现出缓慢下降的趋势, 这表明随着深度的加大, NIEL逐渐减小. 原因在于中子动能因碰撞而不断减小, 沉积的非电离能量损失也随之减小.

      由于在cm量级可以观察出NIEL缓慢减小的规律, 因此可以合理外推, 当靶厚度继续增加时, NIEL会继续减小. 且由于中子不带电, 因此不会出现带电粒子特有的Bragg峰[24], 因此当靶材料足够厚时, 中子的NIEL应当随着深度的增加而单调下降, 直至减小为零. 为证明这一结论, 模拟1 MeV中子从100 cm InP厚靶表面垂直入射, 得到NIEL随深度变化如图5所示, NIEL在80 cm处趋向于0, 则结论成立.

      图  5  1 MeV中子在100 cm厚靶内的NIEL深度分布

      Figure 5.  NIEL depth distribution of 1 MeV neutrons in the 100 cm thick target.

    • 分析1—20 MeV中子入射3 μm/3 cm InP产生的总NIEL、非弹性NIEL(非弹性散射产生)、弹性NIEL(弹性散射产生)、俘获NIEL(俘获反应产生), 比较中子不同反应产生的NIEL, 进一步了解中子入射InP的位移损伤机制. 根据Lindhard分离函数, 模拟得到NIEL与中子能量关系如图6所示.

      图  6  NIEL与中子能量的关系 (a) 3 cm厚靶; (b) 3 μm薄靶

      Figure 6.  The relationship between NIEL and neutron energy: (a) 3 cm thick target; (b) 3 μm thin target.

      分析图6可知, 在1—10 MeV的入射中子能量范围内, 总NIEL随中子能量的增大呈现上升趋势; 10—20 MeV范围内, 总NIEL呈现下降趋势. 原因在于1—20 MeV范围内, 弹性散射NIEL数值在0.0005 MeV·cm2/g附近波动, 入射中子能量造成的NIEL变化不明显, 同时, 俘获反应贡献的NIEL很低, 相比之下, 非弹性散射造成的NIEL数值大且变化明显. 因此, NIEL的变化趋势主要由非弹性散射产生的PKA贡献得到. 非弹性散射反应在中子入射InP的输运过程中占主要作用.

    • 1—20 MeV中子入射3 μm的InP薄靶, 得到PKA的种类、数目、动能等信息见表1, PKA数目和入射中子能量的关系如图7所示, PKA能谱如图8所示.

      入射中子能量/MeV反冲核(PKA)种类最小动能/eV最大动能/keV元素占比/%
      1.00113—116In1.1135.0170.51
      31—32P2.48122.3729.49
      2.54113—116In1.4189.0362.08
      31—32P14.74310.6936.57
      1H, 31Si1.57263.361.36
      5.00113, 115, 116In2.33173.0559.21
      31—32P6.10612.4137.57
      1H, 31Si, 4He, 28Al, 2.214283.903.22
      8.00113, 115In1.57281.8264.42
      31P17.12980.5428.80
      1H, 31Si, 4He, 28Al, 113, 115Cd1.007282.106.78
      10.00113, 115In1.29350.5366.42
      31P1.001225.7025.58
      1H, 31Si, 4He, 28Al, 115Cd, 112Ag1.009287.108.00
      12.00113, 115In1.11417.2163.21
      31P1.001473.4927.51
      1H, 31Si, 4He, 28Al, 113, 115Cd, 112Ag1.0014315.009.29
      14.00113, 115In1.04492.3460.26
      31P1.001705.7729.71
      1—2H, 31Si, 4He, 28Al, 112—115Cd, 110, 112Ag1.0016463.0010.03
      16.00113, 115In1.12556.4757.82
      31P1.001967.1531.98
      1—2H, 31Si, 4He, 28Al, 113—115Cd, 110, 112Ag1.0017593.0010.20
      18.00113, 115In1.45631.0754.70
      31P1.002215.8234.42
      1—3H, 31Si, 4He, 28Al, 111—115Cd, 110, 112Ag1.0021054.0010.88
      19.90113, 115In2.04703.4350.34
      31P1.002453.4337.58
      1—3H, 31Si, 4He, 28Al, 111—115Cd, 110, 112Ag1.0022391.0012.08

      表 1  1—20 MeV中子入射3 μm的InP薄靶所得PKA的种类、数目与动能信息

      Table 1.  The type, number, and energy information of PKA obtained from 3 μm InP thin target irradiated by 1—20 MeV neutrons.

      图  7  1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的不同种类PKA数目

      Figure 7.  The number of different PKA produced by 1–20 MeV neutrons incident on 3 μm InP.

      图  8  1—20 MeV中子入射3 μm InP的PKA能谱

      Figure 8.  The energy spectrum of PKA produced by 1–20 MeV neutrons incident on 3 μm InP.

      分析表1可知, 1—20 MeV中子入射InP产生的PKA中, In/P PKA占绝大多数, 其中, In元素占比高于P元素, 原因在于In的中子反应截面大于P, 则In PKA数量多. 随着中子能量的增加, PKA种类越来越丰富, 且每种元素对应的同位素种类也越来越丰富, In/P PKA总占比逐渐下降, 其他PKA占比增加. 原因在于中子能量越高, 核反应种类越多, 则反应产物增加, 主要包括113—116In(n, p) 113—116Cd, 113, 115In(n, α)110, 112Ag, 30, 31P(n, p)30, 31Si, 30, 31P(n, α)27, 28Al等反应产生的Cd等新核以及反冲出的H, He等PKA. 比较PKA最小和最大动能可知, 随着入射中子能量的增加, PKA的能量范围也逐渐扩大.

      图7为1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的不同种类PKA占比图, 主要统计了总PKA, In PKA, P PKA, 其他元素PKA(H, Si, He, Al, Cd等). 分析图7可知, In PKA占比大, 与总PKA变化趋势相同, 是产生位移损伤的主要因素.

      图8为1—20 MeV中子入射InP产的PKA能谱图, 分析可知, PKA动能主要分布在低能部分, 原因在于中子质量远小于靶核质量, 传递给反冲核的能量很低. 高能PKA主要是质子和α.

      综上所述, 1—20 MeV中子入射InP, 主要产生In/P PKA, 其中In PKA占比大, 是导致位移损伤的主要因素. 同时, 当中子能量逐渐增大时, PKA的种类越来越丰富, 最大动能也随之增大, 但PKA能量仍主要分布在低能部分.

    • 通过Geant4模拟了1—20 MeV范围内不同能量的中子入射InP半导体材料的位移损伤效应, 得出结论如下.

      1) 在微米量级内, NIEL随深度均匀分布; 在厘米及更高量级上, NIEL随着入射深度的增加而降低, 当靶材料足够厚时可以降低至零.

      2)分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的NIEL及其随深度分布, 发现NIEL随入射中子能量的增加呈现出先升后降的趋势. 该趋势主要由非弹性散射反应产生的PKA造成.

      3) 分析1—20 MeV中子入射3 μm InP产生的PKA种类和能量, 发现In/P的PKA占比较大, 是产生位移损伤的主要因素; 中子能量越高, PKA的种类越丰富, PKA最大动能越大, 但PKA主要分布在低能部分.

参考文献 (24)

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